CK-4柴油機(jī)油在國五重負(fù)荷牽引自卸車上的應(yīng)用研究

2019-10-31 12:18魏新宇李湛夏沖王佳源李梅花徐珊

石油商技 2019年5期

魏新宇李湛夏沖王佳源李梅花徐珊

東風(fēng)嘉實多油品有限公司

選用低灰分的東風(fēng)嘉實多CK-4 15W-40柴油機(jī)油在東風(fēng)天龍牽引自卸車上進(jìn)行了60 000 km不換機(jī)油實車路試試驗，對試驗機(jī)油的各項理化性能進(jìn)行了全過程的跟蹤監(jiān)測。行車試驗結(jié)果表明，試驗機(jī)油具有良好的黏度保持性能、堿值保持能力、高溫抗氧化能力、高溫清凈性能、抗磨保護(hù)性能，完全滿足復(fù)雜苛刻路況下國五排放標(biāo)準(zhǔn)的重負(fù)荷牽引自卸車的潤滑需求。

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，各省陸續(xù)出臺了國六排放實施的具體時間，國六排放標(biāo)準(zhǔn)將分為A與B兩個階段。柴油車輛國六A將會在2020年7月正式執(zhí)行，而國六B將會在2023年7月正式執(zhí)行。為了滿足國六 A/B階段的排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)各大OEM（原始設(shè)備制造商）的發(fā)動機(jī)普遍采用渦輪增壓中冷、直噴、電控、高壓共軌等先進(jìn)技術(shù)，同時采用EGR（廢氣再循環(huán)）、SCR（選擇性催化還原）、DPF（顆粒物捕集器）等后處理技術(shù)。這些技術(shù)大大提高了柴油機(jī)的綜合性能，但對潤滑油的要求也進(jìn)一步提高，即要求改善柴油機(jī)油的高溫清凈性能，減少由于煙炱造成的柴油機(jī)油黏度增加，減少發(fā)動機(jī)部件磨損[1]；同時DPF（顆粒物捕集器）在未來國六排放車型中廣泛應(yīng)用，柴油機(jī)油會逐步向低SAPS（低灰、低硫、低磷）方向發(fā)展。

CK-4柴油機(jī)油規(guī)格是API（美國石油學(xué)會）的最新一代柴油機(jī)油規(guī)格。由于選用低SAPS配方，不僅滿足采用了EGR、SCR等后處理技術(shù)的柴油機(jī)用油需求，而且可以適用于未來廣泛配置DPF的國六發(fā)動機(jī)用油需求。目前國內(nèi)國六重負(fù)荷柴油發(fā)動機(jī)普遍在開發(fā)和驗證階段，因此本次油品驗證選用了裝載東風(fēng)風(fēng)神國五dci11發(fā)動機(jī)的東風(fēng)天龍牽引自卸車，在山區(qū)礦場、山區(qū)道路、鄉(xiāng)村道路、高速公路等復(fù)雜工況下進(jìn)行路試應(yīng)用研究。

試驗部分

試驗車輛

試驗車輛為5輛車況相似、滿足國五排放要求的大馬力重負(fù)荷牽引自卸車，行駛里程在80 000～120 000 km之間，車輛運轉(zhuǎn)良好，發(fā)動機(jī)無大修且零部件密封良好，未出現(xiàn)滲油、漏油現(xiàn)象。試驗車輛運行工況為山區(qū)礦山砂石運輸，運輸載荷大，運行環(huán)境差，粉塵污染嚴(yán)重。5輛試驗車輛參數(shù)及使用情況見表1。

試驗用潤滑油

為了確保試驗條件的一致性，使試驗數(shù)據(jù)具有更好的參考意義，試驗機(jī)油為同一生產(chǎn)批號的東風(fēng)嘉實多油品有限公司開發(fā)生產(chǎn)的CK-4 15W-40柴油機(jī)油，油品質(zhì)量指標(biāo)及新油理化性能實測數(shù)據(jù)見表2。

試驗用柴油

考慮到以往東風(fēng)車型路試發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油酸、堿值（舊油測定值變化曲線）出現(xiàn)交叉的問題，通過對路試車輛用柴油進(jìn)行檢測，出現(xiàn)此問題的主要原因是車輛使用地方劣質(zhì)柴油[2]。因此本次試驗用柴油為參與路試的物流公司定點國內(nèi)知名品牌的加油站提供的-10號車用柴油，車隊在該加油站加注的-10號車用柴油理化性質(zhì)典型數(shù)據(jù)見表3。

表1 試驗車輛參數(shù)及使用情況

表2 試驗機(jī)油理化典型指標(biāo)

試驗準(zhǔn)備及采樣

試驗開始前，將5臺試驗車輛移至服務(wù)站水平地面，在舊機(jī)油熱的狀態(tài)下，從油底殼放油塞處放凈發(fā)動機(jī)內(nèi)的舊機(jī)油，同時更換機(jī)濾、油濾、空濾，再用試驗機(jī)油對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗。清洗過程為發(fā)動機(jī)更換試驗機(jī)油后，怠速運轉(zhuǎn)20 min，然后放凈清洗油并再次更換機(jī)油濾清器。清洗完畢后加入新的試驗用油（東風(fēng)嘉實多CK-4 15W-40柴油機(jī)油）至機(jī)油標(biāo)尺上限，啟動發(fā)動機(jī)運行5 min，再補加新油至標(biāo)尺上限，同時記錄加入機(jī)油總量和車輛的行駛里程數(shù)，開始行車試驗。

首次取樣為里程為0 km，每隔10 000 km取樣一次，總試驗里程要求不少于60 000 km，每次取樣150 mL，每次取樣后適當(dāng)補加新油。

行車試驗用油評價標(biāo)準(zhǔn)

由于目前我國還沒有出臺CK-4等級的柴油機(jī)油換油指標(biāo)，本次路試試驗部分指標(biāo)選擇GB/T7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中的CH-4柴油機(jī)油換油指標(biāo)進(jìn)行輔助分析判斷，具體見表4。

試驗結(jié)果及分析

黏度保持性

運動黏度是發(fā)動機(jī)油潤滑性能的重要指標(biāo)。不論運動黏度的過度上升或下降，對發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)均產(chǎn)生不利影響：一方面，若運動黏度增長過大，則導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)能耗升高；另一方面，若運動黏度下降幅度過大，則導(dǎo)致油壓低，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)無力，且密封性和油膜承載力均會變差，惡劣情況下導(dǎo)致發(fā)動機(jī)磨損嚴(yán)重[3]。影響發(fā)動機(jī)油在使用過程中的黏度特性的因素有很多，如蒸發(fā)損失、聚合物熱裂解和降解、油品氧化縮合變稠、油品對煙炱和油泥的分散、燃油稀釋等[4]。

試驗油品100℃運動黏度變化見圖1。

由圖1可見，在試驗過程中，試驗油品的100 ℃運動黏度在20 000 km前出現(xiàn)緩慢下降。這主要是因為機(jī)油受到發(fā)動機(jī)摩擦副的剪切作用，使機(jī)油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑由大分子剪切成小分子導(dǎo)致的，之后運動黏度變化趨于穩(wěn)定，且在試驗后期未見快速增長。試驗油品中，100 ℃運動黏度變化率最大為4.71%，遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)黏度變化率變化限值(不超過±20%)，說明油品氧化和煙炱引起的黏度增長很少，試驗油品表現(xiàn)出優(yōu)秀的黏度保持性能。

抗氧化性能

發(fā)動機(jī)油的氧化是導(dǎo)致其衰變失效的重要原因。由于潤滑油為碳?xì)浠衔?，在發(fā)動機(jī)高溫下與空氣及燃燒產(chǎn)物作用產(chǎn)生氧化反應(yīng)生成醛、酮、有機(jī)酸等中間產(chǎn)物，而氧化中間產(chǎn)物又進(jìn)一步氧化縮合生成大分子膠質(zhì)和瀝青質(zhì)物質(zhì)從而使油品黏度增大[5]。通過檢測試驗過程中的氧化值可以監(jiān)測機(jī)油的老化衰敗情況。

表3 定點加油站-10號車用柴油（國V）技術(shù)要求和典型數(shù)據(jù)

表4 GB/T 7607—2010中CH-4柴油機(jī)油換油指標(biāo)

圖1 試驗油品100 ℃運動黏度變化趨勢

試驗油品氧化值變化見圖2。

由圖2可見，隨著試驗的進(jìn)行，5輛車的氧化值均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，與運動黏度變化規(guī)律一致，說明機(jī)油可以有效抑制自身氧化衰敗。

堿值保持性能和酸值變化

堿值及堿值保持能力是衡量發(fā)動機(jī)油清凈性能的重要指標(biāo)。通常發(fā)動機(jī)油的堿值越高，其中和機(jī)油氧化和燃料燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)的能力越強；同時堿值一般為機(jī)油添加劑中的清凈劑提供的，因此發(fā)動機(jī)油的堿值保持能力越好，其越能確保在使用后期具有足夠的清凈性能，避免因堿值消耗過大而造成清凈性能不足。

酸值主要用于檢測油品中某些功能添加劑的消耗情況及油品的老化程度。油品在使用過程中受到溫度、水分或其他因素的影響，會逐漸老化變質(zhì)。隨著油品老化程度增加，產(chǎn)生較多的酸性物質(zhì)，使油品酸值增加；較大量的酸性物質(zhì)會對設(shè)備造成腐蝕，并在金屬的催化作用下繼續(xù)加速油品的老化狀況，影響發(fā)動機(jī)的正常運行[6]。

試驗油品總堿值和總酸值變化見圖3。

圖2 試驗油品氧化值變化趨勢

圖3 試驗油品總堿值與總酸值變化趨勢

由圖3可見，隨著試驗的進(jìn)行，總堿值呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，總酸值呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。由前面分析可知機(jī)油的氧化值增加較緩慢，因此總堿值下降主要是柴油燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)與油品中和導(dǎo)致的，同時機(jī)油自身高溫氧化也會產(chǎn)生少量酸性物質(zhì)，使總堿值降低和總酸值升高。試驗油品中總堿值最大下降至5.9 mgKOH/g，降幅為31%，遠(yuǎn)小于 GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)堿值變化率變化限值（＞50%）；總酸值最大增長量為1.7 mgKOH/g，增幅為GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)總酸值變化上限的68%。這說明試驗油品具有較好的堿值保持性能和酸中和能力。

煙炱處理能力

煙炱即通常說的煙灰，其成分比較復(fù)雜，主要是燃油和竄入燃燒室的機(jī)油在貧氧下經(jīng)不完全燃燒或熱裂解而產(chǎn)生的。當(dāng)煙炱粒子增加到一定程度時，由于范德瓦爾斯力的影響，煙炱粒子發(fā)生積聚，與氧化形成的膠質(zhì)凝聚成高黏度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀物極其脆弱，易斷裂，它們改變了油品的流動性，從而引起潤滑油黏度過快增長。如果機(jī)油不能有效分散機(jī)油中的煙炱，機(jī)油便無法形成完整連續(xù)的油膜，不能起到很好的潤滑作用，導(dǎo)致磨損加劇，同時過多的煙炱聚集還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油路堵塞、氣門卡死等故障。東風(fēng)風(fēng)神dci11國五發(fā)動機(jī)由于采用了延遲噴射點火技術(shù)，降低了燃燒溫度從而減少NOx（氮氧化物）的排放，但也加劇了柴油不完全燃燒，產(chǎn)生更多的煙炱，因此需要機(jī)油具有更好的煙炱處理能力。

試驗油品煙炱含量變化見圖4。

由圖4可見，隨著試驗的進(jìn)行，5輛車的煙炱含量均呈現(xiàn)累積上升的趨勢，試驗油品中煙炱含量最高達(dá)到了0.43%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），但機(jī)油黏度未見明顯升高，說明機(jī)油可以有效分散燃燒產(chǎn)生的煙炱，防止煙炱富集引起的機(jī)油黏度增長。

閃點變化分析

機(jī)油的閃點主要反映的機(jī)油被燃料污染的程度。如果機(jī)油閃點明顯下降，說明機(jī)油被燃料稀釋較嚴(yán)重，需要及時更換油品并檢修發(fā)動機(jī)。

試驗油品閃點變化見圖5。

由圖5可見，整個行車試驗過程中試驗機(jī)油閃點（閉口）未發(fā)生明顯變化，均保持在210～220 ℃，未超過GB/T 7607—2010 《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)的閃點（閉口）變化限值（＜130 ℃），說明本次試驗車輛狀況良好，未出現(xiàn)異常的燃油稀釋情況。

水分含量變化分析

機(jī)油中水分主要來自于燃燒室燃燒產(chǎn)生的水汽，缸套老化或散熱器銹蝕會引起機(jī)油水分異常升高。機(jī)油中過量水的存在會破壞機(jī)油油膜強度，造成機(jī)油添加劑分解失效，加快發(fā)動機(jī)零部件腐蝕。當(dāng)發(fā)動機(jī)正常工作時，發(fā)動機(jī)工作溫度較高，因此燃燒產(chǎn)生的水分大部分被蒸發(fā)，對發(fā)動機(jī)危害不大。

試驗油品水分變化見圖6。

由圖6可見，試驗過程中，機(jī)油中水分一直處于痕跡狀態(tài)，小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)水分變化限值（＞0.20%），說明機(jī)油受到到水分污染，同時也反映發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)工作狀況良好。

圖4 試驗油品煙炱含量變化趨勢

圖5 試驗油品閃點變化趨勢

圖6 試驗油品水分含量變化趨勢

正戊烷不溶物變化分析

正戊烷不溶物是潤滑油氧化產(chǎn)物、添加劑分解產(chǎn)物、發(fā)動機(jī)金屬磨粒和灰塵及積炭的綜合。主要反映潤滑油氧化變質(zhì)和受污染的程度。

試驗油品正戊烷不溶物變化見圖7。

由圖7可見，試驗過程中，機(jī)油中正戊烷不溶物一直處于緩慢上升的狀態(tài)，試驗油品中正戊烷不溶物含量最高達(dá)到了0.39%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)正戊烷不溶物變化限值（＞2.0%），說明機(jī)油性能穩(wěn)定，氧化衰變緩慢。

抗磨性能及發(fā)動機(jī)磨損元素變化分析

在發(fā)動機(jī)運行過程中，零部件摩擦副的磨損不可避免，試驗過程中對元素含量變化的檢測是掌握發(fā)動機(jī)磨損情況的有效方法。機(jī)油中的磨損元素主要有Fe、Pb、Cu、Al、Cr等。從磨損元素的來源上分析，F(xiàn)e、Cr、Al主要來自于發(fā)動機(jī)缸套、活塞、活塞環(huán)、閥系，Cu、Pb元素主要來源與發(fā)動機(jī)軸承和軸瓦。

試驗油品磨損元素變化見圖8～圖10。

由圖8～圖10可見，整個試驗過程中，各主要磨損元素呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但磨損元素含量始終處于較低水平，試驗油品中磨損元素Fe最高達(dá)到了42 mg/kg，磨損元素Cu最高達(dá)到了31 mg/kg，磨損元素Pb最高達(dá)到了10 mg/kg，其他磨損元素均低于10 mg/kg。從結(jié)果來看，磨損元素遠(yuǎn)小于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)的磨損元素變化限值，說明機(jī)油具有非常好的抗磨損性能。

圖7 試驗油品正戊烷不溶物含量變化趨勢

圖8 試驗油品磨損元素Fe含量變化趨勢

圖9 試驗油品磨損元素Cu含量變化趨勢

Si元素變化分析

硅元素來源主要與汽車工作環(huán)境中的砂石、塵土以及外界異物產(chǎn)生的磨損，如果發(fā)動機(jī)油中硅元素過多，會造成發(fā)動機(jī)零部件的磨料磨損。

試驗油品磨損元素變化見圖11。

由圖11可見，整個試驗過程中，由于路試車輛主要為山區(qū)礦場，風(fēng)沙和塵土較多，因此硅元素呈現(xiàn)明顯增加趨勢，且Si元素含量均已超過GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)Si元素變化限值（＞30 mg/kg）。試驗油品中Si元素最高達(dá)到了79 mg/kg，但各磨損元素始終處于較低水平，說明即使在Si元素含量超標(biāo)的情況下，試驗機(jī)油依然可以提供足夠的油膜潤滑和抗磨保護(hù)。

發(fā)動機(jī)拆檢分析

行車試驗結(jié)束后選取1號試驗車輛進(jìn)行了發(fā)動機(jī)拆解檢查，主要摩擦副和零部件外觀見圖12～圖18。經(jīng)過拆機(jī)檢查，發(fā)動機(jī)缸套內(nèi)壁、活塞環(huán)、曲軸、軸瓦表面狀態(tài)良好，無異常磨損和劃傷；活塞沉積物較少，無黏環(huán)現(xiàn)象；油底殼和側(cè)擋板油泥較少。說明試驗機(jī)油在60 000 km路試試驗中具有較好的抗磨保護(hù)性能、高溫清凈性能和抗油泥性能。

結(jié)論

試驗用CK-4 15W-40柴油機(jī)油在重載荷、多灰塵礦區(qū)及復(fù)雜路況條件下，搭載5輛東風(fēng)天龍牽引自卸車完成了大于60 000 km的路試試驗。機(jī)油舊油取樣理化分析和發(fā)動機(jī)拆檢結(jié)果表明，試驗油品最終各主要理化指標(biāo)（除硅元素含量）優(yōu)于GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》CH-4換油指標(biāo)，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨保護(hù)、抗氧化、堿值保持、黏度保持、煙炱處理、高溫清凈和抗油泥等性能，為5臺試驗車輛提供了良好的潤滑保護(hù)。